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導讀： 自2009 年以來，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其簡易的制備方式和優(yōu)異的光電性能備受關(guān)注，光電轉(zhuǎn)換效率在短短幾年內(nèi)就由3.8% 上升至22.1%，顯示出極大的應(yīng)用潛力。
光伏材料又稱太陽能電池材料，是指能將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料。晶硅作為最主要的傳統(tǒng)光伏材料，其市場占有率達90% 以上。1976 年出現(xiàn)新型薄膜太陽能電池，涉及材料包括硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等，光電轉(zhuǎn)換效率可達18%。然而，自2009 年以來，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其簡易的制備方式和優(yōu)異的光電性能備受關(guān)注，光電轉(zhuǎn)換效率在短短幾年內(nèi)就由3.8% 上升至22.1%，顯示出極大的應(yīng)用潛力。因此鈣鈦礦成為目前最為先進的一種光伏材料。
鈣鈦礦簡介
與傳統(tǒng)的太陽能電池不同，鈣鈦礦太陽能電池采用有機金屬鹵化物作吸光材料，這也是鈣鈦礦太陽能電池的核心材料，代替了染料敏化太陽能電池中的染料分子和有機薄膜太陽能電池中的吸光層。目前在高效鈣鈦礦太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料為碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3），其帶隙約為1.5 eV。因此，從廣義上講，鈣鈦礦太陽能電池使用了具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機金屬鹵化物的一種太陽能電池技術(shù)。
鈣鈦礦太陽能電池優(yōu)缺點簡析
鈣鈦礦太陽能電池的原材料儲量豐富，制備工藝簡單，有利于商業(yè)化生產(chǎn)。其中，鈣鈦礦層具有低的結(jié)晶能，可以通過低溫液相法或氣相沉積法得到缺陷密度低的高質(zhì)量納米晶薄膜。此外，可以通過改變材料的組分來調(diào)節(jié)帶隙寬度，從而滿足不同的使用場景。因此，與現(xiàn)有的成熟晶硅太陽能電池技術(shù)相比極具優(yōu)勢，也為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來了樂觀的前景。
當然，鈣鈦礦太陽能電池也有自身的缺點。這種有機金屬鹵化物鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對濕度、紫外光和溫度等環(huán)境因素敏感。在室外環(huán)境中老化數(shù)日就顯著分解，未封裝的器件性能也隨之衰減；目前轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦太陽能電池的尺寸均為實驗室級別，隨著電池尺寸的增加，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨之下降；鈣鈦礦太陽能電池中一般都含有鉛元素，對人體和環(huán)境都有極大的危害。
受限于該材料自身的缺點以及大面積器件光電轉(zhuǎn)換效率較低等因素的制約，目前鈣鈦礦太陽能電池仍以實驗開發(fā)完善為主，少有幾個國內(nèi)外的公司正在嘗試鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。
相關(guān)產(chǎn)業(yè)分析
成熟的鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展可以替代現(xiàn)有的晶硅太陽能電池，而其特有的柔性更拓寬了電池的應(yīng)用領(lǐng)域。以簡單的鈣鈦礦太陽能電池發(fā)電薄膜為例，可以廣泛地用于手機、電腦、野外設(shè)備中作為移動補充電源，代替目前的太陽貼膜用于汽車中作為移動發(fā)電電源，以及代替建筑用玻璃貼膜作為建筑光伏使用。
以汽車用太陽貼膜為例，中國現(xiàn)有各類機動車2 億多輛，其中家庭用小汽車約1.07 億輛，到2020 年會增加到約1.5 億輛，每輛車需用的太陽貼膜面積約3 平方米，因而其市場規(guī)?？蛇_900 億元人民幣。到2020 年中國建筑面積會接近900 億平方米，若其中窗戶面積的20% 貼上太陽能薄膜進行發(fā)電，則市場規(guī)模在200 億元人民幣。
如果以平均年日照時間2000 小時計，僅用于建筑玻璃上的太陽能電池薄膜每年就能發(fā)電7200 億度（太陽能電池薄膜的效率按10% 計算），相當于每年節(jié)約電費約4300 億元，節(jié)約標準煤近3 億噸，減少碳排放量7.2 億噸。下表列出了鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)鏈。
國外研究進展
鈣鈦礦太陽能電池作為新型光伏器件，近年來受到了國際上的廣泛關(guān)注，掀起了科學家們的研究熱潮。分析國外研究機構(gòu)和大型生產(chǎn)企業(yè)的動態(tài)可見，鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化生產(chǎn)已成為不可阻擋的趨勢。隨著技術(shù)日益成熟和工藝日趨完善，商業(yè)化生產(chǎn)和技術(shù)的不斷革新交替進行是國外對于鈣鈦礦太陽能電池市場推進的主流方式。
國內(nèi)研究進展
近年來，我國在鈣鈦礦領(lǐng)域的研究也緊跟國際趨勢，涌現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)的高校實驗團隊和少量致力于將鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的科技型公司。在該領(lǐng)域的進展表明，無論是科研院校還是高新技術(shù)企業(yè)，都將鈣鈦礦太陽能電池性能的提升作為研究熱點，并沒有明確該材料的商業(yè)開發(fā)方向，使得我國目前的鈣鈦礦太陽能電池依然停留在科研領(lǐng)域。
現(xiàn)狀分析
目前，鈣鈦礦太陽能電池仍以科學研究為主，國內(nèi)的研究與產(chǎn)業(yè)化推進幾乎與國外同步展開，并取得了顯著進步。國內(nèi)很多團隊的研究水平達到國際先進水平，太陽能電池的效率超過20%。甚至某些研究方向居于國際領(lǐng)先，比如，具有更好熱穩(wěn)定性的全無機鈣鈦礦太陽能電池，國內(nèi)多個團隊實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率12% 以上。
然而，對比國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，我們可以看到有明顯的不同。國外的研究團隊注重于生產(chǎn)工藝的改進、新型原材料的開發(fā)，為了早日實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化生產(chǎn)，學者和企業(yè)大多致力于優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品一致性；開發(fā)新型空穴傳輸材料，降低成本；研究先進的硅基疊層太陽能電池技術(shù)，生產(chǎn)高效的串聯(lián)太陽能電池；在提高轉(zhuǎn)換效率的同時，延長鈣鈦礦電池的使用壽命；同時，國外相關(guān)企業(yè)的研究也更注重于實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)，甚至不惜小幅度地犧牲轉(zhuǎn)換效率以提升電池的綜合性能。相對而言，我國對于鈣鈦礦太陽能電池的研究主要集中于電池轉(zhuǎn)換效率的提升和電池組件有效面積的擴大，而對于電池商業(yè)化生產(chǎn)急需解決的成本、工藝、壽命等問題關(guān)注較少，這也是我國鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)較少發(fā)展較慢的主要原因。